VR 技術在鐵道工程教學中的應用*

葉 玲

（華東交通大學交通運輸工程學院 江西南昌 330013）

隨著2019 年12 月底全球新冠肺炎疫情暴發，世界上各行各業的生存模式與發展方向都緊跟時代大變局進行改革，教育領域的改革更是國家重點扶持的重中之重。面對突如其來的疫情，從事教育行業的學者們積極響應國家政策，始終將人民的生命安全擺在第一位，采取足不出戶的網上學習方式，為各種智慧化教學方式與軟件開發提供了良好發展環境。其中，隨著虛擬現實技術的不斷成熟，將VR 技術引入鐵道工程專業教學上是緊跟時代背景下的必然產物，學生可以感受VR 場景所帶來的沉浸感、交互感、現場環境等，有助于學生對鐵道工程專業中一些抽象和復雜概念的理解和學習，如鐵路施工過程、施工順序、檢測計劃等。

一、VR 技術概念

VR 技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機模擬系統。它以計算機技術為核心，將相關科學技術結合起來，生成一個在視覺、聽覺和觸覺方面與特定范圍的真實環境高度相似的數字環境。在數字環境中擁有必要設備和物體的學生可以相互作用、相互影響，感受和體驗現實世界，虛擬現實是人類在探索和理解自然過程中創造產生的，是人類目前認識范圍內形成一種對自然的理解，虛擬現實被用來模擬自然，更好地適應和使用自然科學方法。

VR 已不僅僅被關注于計算機圖像領域，它已涉及更廣的領域，如電視會議、網絡技術和分布計算技術，并向分布式虛擬現實發展。虛擬現實技術已成為新產品設計開發的重要手段。其中，協同工作虛擬現實是VR 技術新的研究和應用的熱點，它引入了新的技術問題，包括人的因素和網絡、數據庫技術等。如人的因素，已需要考慮多個參與者在一個共享的空間中如何相互交互、虛擬空間中的虛擬對象在多名參與者的共同作用下的行為等。在VR 環境下進行協同設計，團隊成員可同步或異步地在虛擬環境中從事構造和操作虛擬對象的活動，并可對虛擬對象進行評估、討論以及重新設計等活動。分布式虛擬環境可使地理位置上分布不同的設計人員面對相同的虛擬設計對象，通過在共享的虛擬環境中協同地使用聲音和視頻工具，可在設計的初期就能夠消除設計缺陷，減少產品上市時間，提高產品質量。此外，VR 已成為構造虛擬樣機、支持虛擬樣機技術的重要工具。VE（虛擬環境）技術可使工程師在三維空間中實時地與他們的設計樣機(虛擬樣機)進行交互。

VR 技術近年來發展迅速，從最初的單純用于計算機圖形學領域，到現在應用于社交娛樂、工業設計與制造、虛擬評價等各領域，同樣，在工科教育領域中，VR 技術也被廣泛應用，如VR 技術在鐵道工程教學中可以生動形象地展示實際工程中各項施工流程步驟等，使學生身臨其境面對面地感受現場氛圍。

隨著教育理念的轉變，21 世紀的教學不再是從輸液到復習到考試的傳統教學模式，而是教會學生如何自主學習知識，如何獨立思考，培養學生創新思維技能的一個過程。VR 技術做到了為學生提供一個跨越時間和空間、組裝大量信息、智能和個性化的學習環境，培養學生分析、判斷和解決問題的思辨能力。通過將虛擬現實技術引入虛擬現實的教學，學生可以更有效地發揮各種感官的作用，更容易接受更多的信息。

二、鐵道工程教學應用

（一）傳統教學方法現狀

鐵道工程的教學培養目標是使學生達到擁有解決鐵路線路、橋梁、隧道施工及維修技術問題的基本能力，成為從事鐵路工程施工及維修等工作的高素質技術技能人才。作為鐵道工程教學者，教學的核心內容是軌道結構、施工技術、施工順序、檢測計劃等。然而，由于鐵道工程的專業知識往往是抽象和復雜的，一成不變地采用傳統的教學模式授課，一直取不到較為理想的效果，因為工程實踐類知識很大的組成部分不能帶入課堂，特別是對于學生的實地考察，學生一直難以理解和消化，教學效率低下。雖然傳統的線上課堂教學現已逐漸實現多媒體課堂，教學者經常使用模型、圖片、視頻等作為輔助教學來增強學生的理解力，但效果并不顯著；學生還是存在無法觀察整個講述內容的綜合結構或過程，細節仍存在不夠細化甚至丟失，實際的鐵道工程工作場景更是依賴于學生的想象力。

（二）VR 實驗室教學方法內容

為解決傳統教學效率低、難理解等弊端，根據近年來在教育領域提出的多概念教學，其主要思想為涉及學習的感官越多、學習的保留率越高的理論。

虛擬現實（VR）應用于中學教學主要表現在以下兩個方面：課堂教學中，實驗教學。課堂教學是教學的主要方式，也是虛擬現實運用于教學的主要戰場。根據不同的學科，虛擬現實發揮著不同的作用，主要有以下方面的應用：立體物體的展示、立體空間的展示、展品的介紹、虛擬空間的營造與構建、虛擬場景的構造。一般學?，F有的條件下，有許多實驗是根本不可能做的，如核反應實驗，還有些實驗是不能讓學生做的，如涉及放射性物質或有毒物質的部分。利用VR技術，可以有效地解決實驗條件與實驗效果之間的矛盾。在教學中，許多昂貴的實驗、培訓器材，由于受價格的限制而無法普及。如果利用VR 技術，在多媒體計算機上建立虛擬實驗室，學習者便可以走進這個虛擬實驗室，身臨其境般地操作虛擬儀器，操作結果可以通過儀表顯示身體的感受反饋給學生，來判斷操作是否正確。這種實驗既不消耗器材，也不受場地等外界條件限制，可重復操作，直至得出滿意結果。VR 實驗室的一大優點還在于其絕對的安全性，不會因操作失誤而造成人身事故。

本文依據多概念教學理論，提出基于VR 技術建立VR 實驗室教學方法提升教學效率。VR 實驗室將通過從增加學生學習感官數量，即多個“渠道”可以接收信息，如視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸摸等，做到以更加直觀的方式在學生面前呈現模型和技術過程，為學生提供全面觀察和理解這些知識可能的機會，以便學生在離開書本知識首次進入實際工程項目時，不會感到困惑和太大的心理落差。這里以教學軌道結構模型為例，描述了VR 實驗室所需的具體設備與用途，首先VR 是一種允許學生實時探索和操作3D 交互式環境的技術，建立VR 實驗室需具備以下要素：

1.立體顯示：需要雙色眼鏡，主動立體顯示，被動同步立體投影設備，真正的三維立體顯示等更先進的設備；

2.虛擬屏幕生成：虛擬圖像的范圍從虛對象到虛光、虛相機、數學建模，使用成像幾何，并在計算機上生成；

3.頭部位置跟蹤：位置跟蹤器是一種作用于空間位置跟蹤和定位的設備；

4.虛擬環境交互：虛擬環境交互使用先進的計算機視覺技術和投影顯示技術來創造奇妙的動態交互體驗。

其中立體顯示是整體感受VR 實驗室中3D 軌道結構模型的基本要素；虛擬屏幕生成是用來給學習者傳達軌道結構模型周圍的3D 區域感覺，包含器官的視覺、聽覺和觸覺等項目；頭部位置跟蹤通常與其他VR 設備（例如數據頭盔、立體眼鏡、數據手套等）結合使用，以使學生能夠在空間中自由移動和旋轉軌道結構模型，而不是束縛在某個設定好的空間立體位置。該設備具有3 個和6 個自由度，可實現額外的靈活性、自由度和任意功能。虛擬環境交互可以讓學習者通過使用儀器或他們的腳和手與傳統投影屏幕上的虛擬實驗室中軌道結構模型進行交互，使他們能夠進入融合現實和虛擬的鐵道工程世界。這些因素使得VR 實驗室具有以下優點：表示的保真度（渲染對象的真實性）、沉浸式的感覺（由于表現出現實主義和高度控制）；以及控制的直接性和高水平的參與（從不同角度查看對象的能力，以及選擇、檢查和修改虛擬世界中對象的能力）。

此外，VR 實驗室教學方法不只局限于虛擬軌道結構模型教學上，如在軌道施工過程教學、新型工程材料教學、解釋建筑安全活動范圍教學、加速鞏固學生學習知識過程等等，VR 實驗室同樣具備傳統教學方法所沒有的優勢。如，虛擬現實技術可以為學生提供生動逼真的學習環境；提供優秀的虛擬模型的交互式操作；允許教學者或和學生監控鐵道工程中的施工項目流程和監測計劃的施工順序，甚至做到查看每個施工組件的形狀細節，并且協助研究施工過程的一些必要設備和操作方法。

因此，使用VR 技術開發這些教學應用程序，有助于提高教學模型的效率；虛擬模型的交互操作，可以給教學者或學生提供一個直觀并且可重復的3D 空間交互環境，觀察工作發展中固有的演變，直到學生掌握在真實工作環境下所需的技能水平。VR 實驗室應用于教學模式的新概念為鐵道工程教育帶來了新的視角。

三、VR 實驗室在鐵道工程教學中的優勢與未來的挑戰

（一）VR 實驗室教學鐵道工程專業的優勢

針對鐵道工程專業的VR 實驗室教學方法與傳統教學方法相比，VR 實驗室教學方法具有三個優勢：

1.它克服了空間限制，突出了以學生為中心的實驗教學模式。一方面，教學者可以擺脫重復工作的負擔，提高實際效果；另一方面，實驗可以轉移到計算機上，克服了空間限制，使學生無須前往施工現場即可操作。

2.以低成本獲得豐富的實驗材料。VR 實驗室可以模擬數千種常用組件和其他實驗設備，參數可以任意設定，使用次數和頻率不受限制，避免儀器損壞，從根本上解決因經費不足、操作不當、不善愛護等原因造成的對實驗室建設的資金制約。

3.建立實驗室以擴大學生的理解，學生可以自由直觀地使用計算機。充分拓展學生的思維空間，給予他們更大的空間和想象自由，創造更好的學習環境和條件。

（二）VR 實驗室應用于鐵道工程教學面臨的挑戰

VR 實驗室應用在鐵道工程教學中面臨的三大挑戰：

1.潛在的健康風險：由于虛擬圖像成像位于眼睛前方25—50 cm 處，因此眼睛將持續聚焦在25—50 cm 處，戴頭盔眼鏡時無法移動，而且視野都是電子顯示屏，長時間佩戴虛擬現實頭戴（眼鏡）容易出現眼肌疲勞、頭暈和不適。因此，青少年視力的健康風險也可能是虛擬現實未來教育成功的一個非技術挑戰。畢竟，對于處于身體發育階段的學生來說，沒有健康影響的輔助教學設備是最基本的要求之一。

2.虛擬實驗室教育內容的更新速度：沒有用于VR 內容制作的工具，沒有工具將意味著無法完成大規模的內容生產。但是，對于教學而言，只有形成一個系統，教學內容才能在實際教學過程中發揮積極作用。

3.教師接受的速度：就土木工程教師而言，更多的教師知識來自理論和實踐。施工現場仍然是許多教師教學的首選之地。在某種程度上，他們會選擇避免嘗試這些新的教學方法，并繼續使用他們熟悉的教學方法，并向學生推薦他們的學習方法。因此，即使將來會有專門的軟件來制作和顯示虛擬現實教學內容，教師也不會快速適應和接受軟件，這也是虛擬現實改變土木教學甚至整個教學過程的挑戰。

結語

本文基于鐵道工程專業知識教授方法，將傳統教育方法與VR 實驗室的教學方法對比，分析了針對軌道工程這類授課內容抽象且復雜導致的授課效率低的問題，從多概念的角度出發，提出運用逐漸成熟的VR 技術建立VR 實驗室教學方法，達到提升教學者授課效率，降低學生理解難度，激發學生對知識主動渴求的目的。VR 實驗室教學方法從根本上解決了工程知識教育過于抽象、缺乏趣味及自主性差的問題，為國家培養對知識充滿熱情的創新型人才具有重大意義。